数码音量控制扩音器电路的设计

李彬，陈碧敏

（广东理工学院，广东肇庆，526100）

0 引言

音频功率放大器电路模块和单片机控制电路模块在在这次设计中起主要的作用，主要用单片机进行编程，模拟开关和数字电位器都由单片机控制，利用这几个项目模块，可以实现声音的高或者低，来选择输入信号的类型，并且还可以实现静音的功能，主要的特点就是消耗能量少，体积较小便于携带，主要应用在音响、教学教育等方面[1]。

1 总体方案设计

数码音量控制扩音器的系统框图如图1所示。

图1 数码音量控制扩音器的系统框图

进行如下两种方案的论证：

方案一：话音放大电路部分选用LM358作为运放，输入信号选择部分选用模拟开关CD4053，数字音量控制部分选用X9319数字电位器，TDA2003为音频功率放大器，MCU控制电路选用STC89C51单片机，电源电路选用芯片7805。

方案二：话音放大电路部分选用LM324作为运放，输入信号选择部分选用模拟开关CD4051，数字音量控制部分选用X9511数字电位器，TDA2030为音频功率放大器，MCU控制电路选用AT89C51单片机，电源电路选用芯片2575。

LM358属于双运算芯片，有8个引脚，并且单双电源都可以工作。并且它的价格便宜，芯片的面积比较小，假如说用于放大直流信号时，可以达到20HZ，根据设计要求，选择LM358比较合适。根据设计的要求要求对话音和音频输入两个信号进行选择，因此模拟开关适合选用三二通道的数字控制模拟开关，所以选用CD4053芯片。因为TDA2003属于单电源工作方式，TDA2003在阻抗为4Ω时的输出的功率为5W，TDA2030在阻抗为4Ω时的输出的功率为18W，并且TDA2003的接线方式比较简单，所以选用芯片TDA2003作为音频功率放大器。STC单片机是51单片机的增强款，完全兼容MCS-51，STC89C51可以代替AT89C51，而且功能更强、速度更好、寿命更长、价格更低、STC89C51可以在线编程也就是有ISP功能，AT89C51必须通过编程器烧录，STC推出的系列的51单片机芯片全面兼容其他51单片机，STC89C51内部有E2PROM，可以在程序中修改，并且断电不丢失数据，所以选用STC89C51单片机。X9313应用范围较广和被经常的使用，并且电路结构简单，调试简单，只要焊接没有错误，基本上就不需要调试，所以选用X9313。

图2 话音放大电路

综上所述选取第一种方案更优。话音放大电路采用LM358芯片，可将话音输入或者音频输入中的微弱信号进行放大，它是具有很高的增益，很宽的电压的双运放。输入信号选择电路采用模拟开关CD4053，可以对话音输入，音频信号输入二组信号进行选择。数字控制电路采用数字电位器X9313，它的工作原理主要是对电阻进行改变来控制其增益，较好的实现了可控增益放大器。音频功率放大电路采用芯片TDA2003，它将输入的电流进行放大，然后去驱动喇叭发出声音[2]-[5]。电源电路采用18V的直流电源为音频功率放大器供电，经过7805芯片降压后，为单片机提供大约5V的直流供电电源，

2 电路的设计

话音放大电路由MIC放大电路和同向电压放大器组成，单电源给其供电，MIC感应空气中的声波的微弱振动，并输出跟声音变化规律一样的电信号，因为MIC需要直流偏置，所以需要加一个电容C3来隔直流，防止信号的衰弱，R4和R5组成偏置电路并且取值为240KΩ,这样可保证话音信号的不失真放大，MIC1和R1，C4组成MIC放大电路，20-30mVpp之间和2-3mA是MIC放大电路的输出话音电压和工作电流，滤除高频干扰的主要措施主要靠电容C4来完成，通过以上的这些措施，话音电路抗干扰性能大大提高。LM358运放电路和R,C共同组成同向电压放大器，由于其增益放大50多倍要考虑到误差，因此R7取值51KΩ，R9取值1KΩ。话音放大电路如图2所示。

输入信号选择电路由模拟开关CD4053组成，对模拟开关的控制是通过TTL逻辑电平实现输入信号AUDIOI/2之间的切换，通过AB两组输入地址来实现输入信号的选择，当输入AXBX时，是音频线路信号输入，当输入AYBX时是话音输入信号，当需要静音功能时选择BY，无论是AXBY还是AYBY都是信号不输出。为了起到良好的滤波作用，需要在电路中加上C7和C10，为了保护芯片，需要加上电阻R8，具体的电路图如图3所示。

数字音量控制电路是采用X9319W的内置EEPRM的非易失性数字电位器。数字电位器的时序图和相应的时间参数是构成单片机控制数字电位器其编程技术的依据。在数字音量控制电路中，电容C11起滤波作用。R11、R12、C12、C13为输入电路，R11为功率电阻，起到保护芯片的作用，其取值为3K，用C12来滤除高频干扰信号，防止功放电路自激振荡的措施就是在电路中并联一个电阻R16和电容C19，为了提高输出功率，输出电容C18的容量应该取大一些，如果设计输出功率增大，电容的容量也应该随着增大，如果电容容量取得不够，输出功率就会小于额定功率，功放电路的效率也会降低，负反馈电路由R13组成，这样可减小输入信号，C14和C15为电源滤波电路，R4和R5提供直流偏置，为了提高功率放大器的寿命，要加装散热器来辅助其散热。具体的电路图如4所示。

图3 输入信号选择电路

单片机控制电路主要选用STC89C51,并且为了保证单片机的稳定性和负载能力，应该在电路中加上阻值为4.7-10K的上拉电阻。最好选用表面安装技术的排阻，为了更好的显示单片机的运行状态和在调试程序中显示程序的进展情况，应该添加一个以上的LED来分析程序存在的问题。MIC控制电路图如图5所示。

由于在电路上有模拟电路和数字电路，为了提高电路板上的信号部分的抗干扰能力，所以要采用两种电源输出，一种是采用7805的数字电源，另一种是采用78L05模拟电源单独供电，为了防止学生把输入电源接反而烧坏IC，需要在电源的输入端加装极性二极管来保护。功耗小时，稳压器无需加装散热器，功耗大时，稳压器就要加装散热器或者在输入端加装功率电阻来辅助散热，在这电路中，由于其功耗Pc=(Vi-Vo).Io小于0.3W，所以无需加装散热器或者功率电阻。

图4 音频功率放大电路

图5 MCU控制电路

3 结论

数码音量控制扩音器各部分电路，系统硬件电路包括6个部分：话音放大电路、输入信号选择电路、数字音量控制电路、音频功率放大电路、MCU控制电路、电源电源。电源电路为整个系统供电，话音放大电路对输入声音进行放大，输入信号选择电路对话音输入、音频信号输入两组输入信号进行选择，数字音量控制电路对放大器的增益进行控制，音频功率放大电路对输入电流信号进行放大以驱动喇叭，MCU控制电路是数码音量控制扩音器设计的主心骨，用程序控制音频功率放大器，实现音量的加减以及静音控制[6]。